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复合地基软弱下卧层强度验算方法分析

摘 要：复合地基是被现代建筑广泛应用的一种地基处理手段，根据规范：当在受力层范围内仍存在软弱下卧层时，应对下卧层的强度进行验算。怎样验算S如何确定复合地基的基底附加压力扩散模型，规范中并没有明确。通过分析不同类型复合地基加固机理及荷载传递性质，表明作者在此问题上的认识与观点。
关键词：复合地基 软弱下卧层强度验算 方法分析

复合地基是指部分土体被增强或被置换而形成增强体，由增强体和周围地基土共同承担荷载的地基。随着地基处理设计水平的提高、施工工艺的改进和设备的更新，复合地基处理的方法越来越多，处理的适用范围也越来越广，目前我国复合地基已应用于35层建筑的地基处理。复合地基以其施工工艺简单、工期短、投资少、适应性强等优点得到广泛应用。但由于复合地基的种类较多，组成增强体的材料不同，复合地基的作用机理、强度及变形规律存在较大差异，对其仍存在研究不够、理论滞后于实践的问题。本文通过分析不同类型复合地基加固机理及荷载传递性质，提出不同类型复合地基软弱下卧层强度验算的一点认识与观点，供分析参考。
1 问题的提出
根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002），经处理后的地基，当在受力层范围内仍存在软弱下卧层时，尚应验算下卧层的地基承载力，即下卧层强度应满足公式：

—软弱下卧层顶面处的附加压力值；
—软弱下卧层顶面处的自重应力值；
—软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力特征值。
而在实际工作中，对软弱下卧层进行强度验算时，如何计算下卧层顶面处的附加压力值，规范中并未给出复合地基的应力扩散模型。复合地基扩散模型的选择决定了软弱下卧层强度是否满足软弱下卧层顶面所受的压力值，也决定了复合地基增强体的入土深度，因而也决定了复合地基增强体施工工艺的可能性。
以水泥土搅拌桩复合地基为例：
根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002），水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值在初步设计时可按照下式估算：
⑴
单桩竖向承载力特征值可按下式确定：
⑵
⑶
⑵式为桩身材料强度所确定的单桩承载力，⑶式为桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力，取两式中的小值作为竖向单桩承载力特征值。
由于水泥土桩的桩身强度相对较低，大多数情况下单桩承载力由桩身材料强度控制，复合地基承载力不因桩长的增加而提高，存在着一个临界桩长。因此，当两式的值比较接近时，水泥土搅拌桩的入土深度比较经济。
在实际工程运用中，按照⑴⑵⑶式确定的复合地基承载力在满足强度要求的情况下，如果在受力层内仍存在软弱下卧层时，尚应验算软弱下卧层的地基承载力。此时，软弱下卧层顶面处所受的应力控制了水泥土搅拌桩的入土深度，也决定了当地水泥土搅拌桩的设备能力是否能达到估算的入土深度。因此，如何选择合理的复合地基扩散模型是确保复合地基安全、经济的关键。
2 复合地基扩散模型分析
复合地基的类型较多，按竖向增强体的性质可分类如下（表1）：
表1竖向增强体（桩）复合地基分类
按桩体刚度分类
按成桩材料分类
举例
柔性桩
散体材料桩
砂（石）桩、碎石桩
半刚性
水泥土类桩
水泥搅拌桩、高喷射注浆桩
刚性桩
混凝土类桩
CFG桩、素混凝土桩
合理选择地基扩散模型是复合地基设计中一个重要问题。然而，由于复合土体的复杂性，在工程应用中很难用一个普遍适用的数学模型来概括不同种类复合地基的扩散模型。作者根据组成复合地基增强体的材料、复合地基的加固机理以及荷载传递的性质，在确保复合地基的安全、经济性以及所选用的地基扩散模型尽可能使复合土体在受力作用时与实际接近的前提下，提出不同类型复合地基在验算软弱下卧层强度时的扩散模型如下：
2.1 复合地基扩散模型分析
散体材料桩系指桩身材料是由颗粒材料（如碎石、砂石等无胶凝性材料）组成的桩体，这类桩的特点是桩体材料无凝聚力，或凝聚力较小，只有依靠桩周土体的围箍作用才能形成桩体。这类桩最可能的破坏形式为桩体的鼓胀破坏。对地基的加固机理主要是挤密、排水减压或置换作用等，桩的承载力取决于桩材的内摩擦角和桩周土对桩身的侧向约束力，而呈现出与桩长无关的特征。受荷后，桩身的主要受力区集中在桩顶附近桩径范围内，导致桩体发生侧向变形，它也是散体材料桩复合地基变形的主要原因。
根据散体材料桩复合地基加固机理及荷载的传递性质，作者认为：
⑴对散体材料桩复合地基，可以把桩长范围内的复合土层当成模量已增大的自然土层，参照《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中地基压力扩散角的概念先求出软弱下卧层顶面处的附加压力，然后采用公式验算软弱下卧层强度是否满足要求。地基压力扩散角可按复合土层压缩模量与软弱下卧层压缩模量的比值取值（表2）：

表2地基压力扩散角

Z/b
0.25
0.5
3
60
230
5
100
250
10
200
300
注：1 为复合土层压缩模量；为软弱下卧层压缩模量

2 Z/b＜0.25时取=00；Z/b＞0.5时取值不变
由于《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中压力扩散角的概念是建立在土体半无限直线理论的基础上，而地基处理的范围是有限的，因此，散体材料桩复合地基在参照《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中地基压力扩散角的概念对软弱下卧层进行强度验算时，按照模量比值确定的地基压力扩散角的取值不宜使扩散后的复合地基底部面积超出复合地基的加固范围。
⑵当Es1/Es2＜3时，表明复合土体的压缩模量与软弱下卧层土体的压缩量差别不是太大，在对软弱下卧层进行强度验算时，可采用各向同性均质线性变形体理论来确定下卧层顶面所受的附加压力，即：

—软弱下卧层顶面所受的附加压力
a—根据基础底面尺寸、下卧层埋深确定的附加应力系数；
—基础底面处的附加压力。
2.2 混凝土类桩复合地基
混凝土类桩完全不同于散体材料桩，其桩身具有较高的强度和粘结力，属刚性桩。复合地基承载力一般取决于桩周及桩端土的强度。
⑴混凝土类桩复合地基的加固机理主要有两方面：
桩体作用：在荷载作用下，混凝土桩的压缩性明显比其周围土体小，因此，基础传给复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩体上，出现应力集中现象，复合地基中的混凝土桩起到了桩体作用。
褥垫层作用：由级配砂石、碎石等散体材料组成的褥垫层，在复合地基中保证了桩、土的共同作用，并减少了基础底部的应力集中。
⑵荷载传递：与散体材料桩相比，混凝土类桩的承载力主要来自全桩长的摩阻力及桩端阻力，桩越长则承载力越高；由于混凝土类桩的强度和刚度较大，受荷后，应力的传递可能会到达基础底面以下较深的土体中。
⑶扩散模型分析：根据混凝土类桩复合地基加固机理及荷载传递性质，混凝土类桩的单桩承载力是由桩周土和桩端土的承载力所决定，复合地基的承载力由桩和桩间土共同承担，因此，可将桩与桩间土视为一个假想的实体基础，按群桩作用原理进行下卧层地基强度验算。扩散模型可按两种方法考虑：
首先基底压力扩散角a取桩身范围内各土层内摩擦角加权平均值φ的1/4，
同时在假想基础底面至软弱下卧层顶面之间进行二次扩散（图1）。假想实体基础底面土的附加压力为：

式中：f—假想实体基础底面处的附加压力；
P0—群桩顶面所受的附加压力；
L—混凝土桩的桩长；
a0—矩形实体基础长；
b0—矩形实体基础宽。

其次考虑假想实体基础侧面与土的摩擦力，计算出假想实体基础底面处土的附加压力，同时在假想实体基础底面至软弱下卧层顶面之间进行二次扩散（图2）。
假想实体基础底面处的附加压力为：

式中：f—假想实体基础底面处的附加压力；
P0—群桩顶面处所受附加压力；
L—混凝土桩的桩长；
—桩身长度范围内土的加权平均重度。

根据以上两种方法求出实体基础底面处的附加压力f后，再根据桩端以下土层的压缩模量与软弱下卧层模量的比值进行二次扩散，计算出软弱下卧层顶面处所受的附加压力，采用公式验算软弱下卧层强度是否满足要求。
2.3 水泥土类桩复合地基
目前水泥土类桩复合地基主要有高压喷射注浆桩复合地基和水泥土搅拌桩复合地基，其竖向增强体的强度和桩身材料粘结力介于散体材料桩和混凝土桩之间。
⑴高压喷射注浆桩：由于高压喷射注浆桩一般情况下需要较大的水泥掺量，单桩具有较高的桩身强度和较大的粘结力，特别是在砂性土中，其桩身强度接近于刚性桩，复合地基的承载力主要由单桩承载力决定，因此，高压喷射注浆桩复合地基在对受力层范围内软弱下卧层进行强度验算时，可参照混凝土类桩复合地基的扩散模型。
⑵水泥土搅拌桩：根据相关实验资料表明：对水泥土搅拌桩复合地基，当水泥掺入比а≤10%时，复合地基承载力与桩长无关，呈散体材料桩的特征；当水泥掺入比а≥20%时，复合地基承载力随桩长的增加而提高；在水泥掺入比介于10%—20%时，水泥掺量的增减对单桩承载力的影响十分显著。因此，水泥土搅拌桩复合地基在对受力层范围内软弱下卧层进强度验算时，应根据水泥的掺入量来具体确定：①当水泥掺入比а≤10%时，可参照散体材料桩复合地基的扩散模型；②当水泥掺入比а≥20%，可参照混凝土类桩复合地基的扩散模型；③当水泥掺入比а=10%—20%时，宜根据当地经验估算水泥土的强度来确定其扩散模型或根据所加固土的类型确定水泥土搅拌桩复合地基的扩散模型；加固砂性土
地基时，可参照混凝土类桩复合地基扩散模型；加固粘性土地基时，可参照散体材料桩复合地基扩散模型。
3 结 论
通过上述分析，对复合地基软弱下卧层强度验算得出如下结论：
⑴对散体材料桩复合地基，可以把桩长范围内的复合土层当成模量已增大的自然土层，参照《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中地基压力扩散角的概念对软弱下卧层强度进行验算；
⑵对混凝土类桩复合地基，可把加固区看成假想的实体基础，先求出实体基础底面处的附加压力，再根据桩端以下土层的压缩模量与软弱下卧层模量的比值进行二次扩散后对较弱下卧层强度进行验算。
⑶对水泥土类桩复合地基，应根据竖向增强体的强度、所加固土的类型或水泥掺入比等具体确定软弱下卧层强度的验算方法。

参考文献
【1】 刘景政，杨素春，等，地基处理与实例分析.北京：中国工业建筑出版社，1998。
【2】 叶书麟，叶观宝.地基处理.北京：中国建筑工业出版社，1998。